高地应力及动压影响下回采巷道支护方案优化

翟灵俊

（山西汾西矿业集团水峪煤业，山西 介休 032303）

0 引言

近年来，随着煤炭资源的不断开采，各大矿区开始逐渐面临一些深部煤层采掘工作，深部采掘工作在地应力、动压影响、地质构造等因素的影响下，围岩节理裂隙发育、松散破碎、变形强烈、破坏范围大，巷道冒顶、片帮及底鼓频发，巷道在使用过程中往往需要反复修复，造成较大的巷道维护成本，安全也得不到保障。以双柳煤矿3316（全文简称3316）专用瓦斯抽采巷的支护工作为研究对象，结合传统的支护理论与方法，采用实验室试验、现场测试、理论分析等方法对大埋深高应力区域巷道围岩的变形破坏规律、支护机理及支护技术展开研究[1-4]，结合具体的工程条件进行相关理论和技术的研究创新，从而推动行业技术发展。

1 工程概况

双柳煤矿是汾西矿业集团的主力矿井，现主采煤层为山西组下段顶部3 号煤层，该区煤层稳定，结构较复杂，煤层厚度平均3.75 m。3316 工作面地表标高650～950 m，煤层赋存深度为520～570 m。工作面整体为单斜构造，煤层倾角2°～9°，平均6°，且根据巷道揭露资料以及回采工作面综合分析，此区域内煤层节理、裂隙发育，对工作面回采有一定的影响。3316 工作面围岩以泥岩、中砂岩、细砂岩为主，具体如表1 所示。

表1 3 号煤层顶底板岩性表

在工作面巷道布置方面，直接为工作面服务的回采巷道有3 条，3316 进风巷（上一个综采面的抽采巷），3316 运输巷，3316 抽采巷（作为下个工作面的进风巷），巷道布置情况如图1 所示，西侧为3316 运巷和3316 专用瓦斯抽采巷，东侧为3316 材巷，其中，3316 专用瓦斯抽采巷与3316 运巷之间留设煤柱宽度为20 m。由于巷道埋深大、巷道条件差，并受较高构造应力及多次采掘扰动的影响，使得巷道在掘进期间发生顶板过度下沉、两帮移近、底鼓、支护失效等破坏现象。

图1 3316 工作面巷道布置示意图

2 3316 抽采巷原支护方案及缺陷分析

根据工作面开采经验及矿压观测，查阅相关文献[5-8]，分析3316 抽采巷原支护方案及巷道变形破坏特征分析如下：

2.1 3316 抽采巷原支护方案分析

3316 抽采巷层位是沿煤层顶板布置，采用矩形断面，断面规格为4 600 mm×3 200 mm，原支护设计采用锚网索联合支护方案，如图2 所示。其中，顶部锚杆采用无纵肋螺纹钢锚杆，规格为Φ20 mm×2 400 mm，使用K2355 和Z2355 锚固剂加长锚固，间排距为1 000 mm×1 000 mm；帮部锚杆采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格为Φ20 mm×2 400 mm，使用1 支K2355锚固剂端头锚固，间排距为900 mm×1 000 mm；顶部锚索采用高强度低松弛预应力钢绞线，规格为Φ17.8 mm×6 400 mm，采用“一二”间隔布置，第一排锚索沿中线布置，第二排锚索沿中线对称布置，间距2 200 mm，排距1 000 mm。总体来说，该支护方案是一种较为常规的支护方案，符合设计规范，但面对该工作面高地应力及动压频繁的条件，针对性略显不足。

图2 3316 抽采巷原支护方案示意图（单位：mm）

2.2 3316 抽采巷围岩变形破坏特征

1）根据现场矿压观测发现，3316 抽采巷掘进及支护的矿压显现呈现明显的高地应力特征，经过测算，本工作面最大垂直应力集中系数超过2.2，最大水平应力集中系数超过1.5，应力集中程度大，矿压显现较为强烈。

2）3316 抽采巷为本工作面服务后，后期还要作为下个工作面的进风巷继续使用，承受多次应力扰动及动压影响，在3316 工作面回采期间，巷道顶板下沉量速度快、积累量大，帮煤破碎程度较高，局部片帮及底鼓严重。

3）矿压显现严重的区段，巷道断面收缩极为严重，顶板出现严重的“网兜”现象，金属网撕裂，多处锚杆和锚索发生脱锚甚至断裂，出现不同程度的漏顶、冒顶事故，多处底板鼓起量接近甚至大于1 000 mm，巷道严重失修，安全隐患极大。

4）根据矿压实测结果及以上分析，判断出由于地应力过高及动压影响，巷道围岩破碎度高，稳定性差，原支护方案强度及整体性不足，尤其是锚杆或锚索发生拉断、破断现象，表明在巷道支护方案方面还需进行针对性优化。

3 巷道支护方案优化设计及应用

3.1 巷道支护方案优化设计

根据以上矿压实测及理论分析结果，并充分借鉴高校学者针对3316 抽采巷围岩变形特征，利用数值模拟工具给出的支护方案建议，确定优化后的巷道支护方案，如图3 所示。

图3 3316 抽采巷优化支护方案示意图（单位：mm）

巷道顶部和帮部统一采用高强螺纹钢锚杆，规格为Φ20mm×2400mm，托盘规格为150mm×150mm×10 mm，使用两支锚固剂进行端锚，型号为K2360 及Z2360，顶锚杆间排距为1 000 mm×1 000 mm，帮锚杆间排距为900 mm×1 000 mm；重点优化了锚索支护，顶板锚索由原来的“一二”布置补强为“三二”布置，即第一排使用3 根锚索，沿中线1 根，中线左右1 600 mm处各1 根，第二排距中线1 100 mm 对称布置2 根，排距保持为1 000 mm，锚索规格为Φ21.6 mm×6 400 mm，锚索托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm；两帮在距离顶板1 600 mm 处各补打一根锚索，排距1 000 mm，锚索规格为Φ17.8 mm×6 400 mm。

3.2 工程实践及矿压观测

按照以上支护方案，对巷道失修段进行修复，并在3316 抽采巷内布置测站对优化方案的支护效果进行监测，测站布置情况如图1 所示。随着采煤工作面向前推进，当测点进入距离工作面50 m 处时，巷道开始逐渐承受超前支承应力影响，难以保持原来的稳定状态，至工作面推过测点20 m 以内时，顶底板位移量及两帮位移量逐渐发展，围岩变形量控制在20 mm 以内；当工作面推过20～80 m 范围内，3316 抽采巷围岩变形量进入快速发展期，顶底板移近量发展到约75 mm，两帮移近量发展到约35 mm；当工作面推过80 m 至更远的距离后，巷道变形量积累速度趋于平缓，本工作回采带来的应力扰动结束，顶底板移近量发展到约80 mm，两帮移近量发展到约40 mm，如图4所示。相比原支护方案，优化支护后，巷道断面收缩率平均降低了近80%，可见优化后的支护方案对围岩变形起到了很好的控制作用。

图4 随工作面推进巷道围岩变形量发展示意图

4 结论

1）3316 抽采巷呈现明显的高地应力特征，最大垂直应力集中系数超过2.2，最大水平应力集中系数超过1.5，应力集中程度大；且3316 抽采巷受本巷道掘进、3316 工作面回采及下个工作面回采影响，承受多次应力扰动，矿压显现较为强烈。

2）巷道原支护方案针对性不足，是一种较为常规的支护方案，虽然符合设计规范，但没有充分考虑3316 抽采巷所面临的高地应力及多次动压影响难题，导致巷道断面收缩严重，多处锚杆和锚索发生脱锚甚至断裂，出现不同程度的漏顶、冒顶事故，造成巷道严重失修，安全隐患极大。

3）综合运用矿压实测、理论分析及数值模拟结果，对巷道支护方案进行优化，并成功进行了工程实践。矿压观测结果表明，本工作面回采结束后，顶底板移近量控制在约80 mm，两帮移近量控制在约40 mm，且相比原支护方案，3316 专用瓦斯抽采巷的断面收缩率平均降低了近80%，支护方案的有效性得到了验证。